第6章-其它荷载与作用

荷载与结构设计方法第六章其它荷载与作用第六章其它荷载与作用本章内容第一节温度作用第二节变形作用第三节冻胀力第四节爆炸作用第五节行车动态作用第六节预加力第六章其它荷载与作用第一节温度作用一、温度作用基本概念及原理温度作用——因温度变化引起的结构变形和附加力。具体表现：当结构或构件的温度发生变化时，体内任一点（单元体）热变形（膨胀或收缩）由于受到周围相邻单元体的约束（内约束）或边界受到其他结构或构件的约束（外约束），使体内该点产生温度应力。温度作用大小影响因素：环境温度变化约束条件第六章其它荷载与作用第一节温度作用工程约束条件：（1）结构物的变形受到其它物体的阻碍或支承条件的制约，不能自由变形。①框架结构基础梁的伸缩变形受到柱基约束，没有任何变形余地。第六章其它荷载与作用第一节温度作用②排架结构上部横梁因温度变化伸长时，横梁的变形使柱产生侧移，在柱中引起内力；柱子对横梁施加约束，在横梁中产生压力。第六章其它荷载与作用第一节温度作用简支屋面梁温差引起的应力分布大体积混凝土梁水化热引起的应力分布（2）构件内部各单元体之间相互制约，不能自由变形。①简支屋面梁，在日照作用下屋面温度高于室内温度，简支梁沿梁高受到不均匀温差作用，产生翘曲变形，在梁中引起应力。②大体积混凝土梁结硬时，水化热使得中心温度较高，两侧温度偏低，内外温差不均衡在截面引起应力。第六章其它荷载与作用第一节温度作用二、温度应力计算根据不同的结构形式和约束条件考虑温度变化对结构内力和变形的影响。由于温度变化引起的材料膨胀和收缩变形是自由的，故在结构上不引起内力，其变形可由虚功原理计算。存在多余约束，其温度作用效应的计算，一般根据变形协调条件，按结构力学或弹性力学方法确定。静定结构：超静定结构：第六章其它荷载与作用第一节温度作用厂房纵向排架温度变形分布例如：厂房纵向排架结构柱嵌固于地面，排架横梁受到均匀温差作用向两边伸长或缩短，中间有一变形不动点（位于各柱抗侧刚度分布的中点）。变形不动点两侧横梁伸缩变形将在柱中和横梁引起应力。第六章其它荷载与作用第一节温度作用不动点右侧第i根柱的柱顶变位DLi=aTLi（忽略横梁变形），第i根柱的抗侧刚度Ki=3EiIi/H3，则该柱受到的柱顶剪力为：式中Li——第i根柱到不动点的距离。不动点LiHiΔLiEIiVi排架结构温度应力计算简图33HIETLKLViiiiiiDa第六章其它荷载与作用第一节温度作用三、温度变化的考虑温度变化：由气温变化和结构温差引起气温变化：一年中大气气温年温差，通常取最高月和最低月平均气温的差值。我国长江中下游一带大气气温年温差约为30℃。结构温差：由于日照、骤冷等天气原因或高温车间、低温冷库等使用情况造成的结构内外温度差异，应考虑房屋散热和保暖条件，按实际调查情况确定温差取值。第六章其它荷载与作用第一节温度作用四、桥梁结构的温度作用气温变化：常年的气温变化导致桥梁沿纵向均匀地位移，这种位移不产生结构内力，只有当结构的位移受到约束时才会引起温度次应力。（均匀温度作用）结构温差：由于太阳的辐射，使结构沿高度方向形成非线性的温度梯度，导致结构产生次应力。（梯度温度作用）沿桥梁横向也存在梯度温度，由于影响小，设计时不再计及其作用。第六章其它荷载与作用第一节温度作用气温分区钢桥面板钢桥混凝土桥面板钢桥混凝土、石桥最高最低最高最低最高最低严寒地区46-4339-3234-23寒冷地区46-2139-1534-10温热地区46-9（-3）39-6（-1）34-3（0）注：表中括弧内数值适用于昆明、南宁、广州、福州地区。（1）均匀温度作用计算时应从结构受到约束（架梁或结构合龙）时的结构温度作为起点，计算结构最高和最低有效温度的作用效应。如缺乏实际调查资料，公路混凝土结构和钢结构的最高和最低有效温度标准值可按下表取用。第六章其它荷载与作用第一节温度作用（2）梯度温度作用计算梯度温度引起的效应时，采用下图所示的竖向温度梯度曲线，其桥面板表面的最高温度T1规定见下表。混凝土结构：当梁高H小于400mm时，图中A=H-100(mm)；梁高H等于或大于400mm时，A=300mm。带混凝土桥面板的钢结构：A=300mm，图中的t为混凝土桥面板的厚度(mm)。第六章其它荷载与作用第一节温度作用结构类型T1（℃）T2（℃）混凝土铺装256.750mm沥青混凝土铺装层206.7100mm沥青混凝土铺装层145.5竖向日照正温差计算的温度基数混凝土上部结构和带混凝土桥面板的钢结构的竖向日照反温差为正温差乘以-0.5。第六章其它荷载与作用第二节变形作用变形作用由于外界因素的影响（如结构或构件的支座移动或地基发生不均匀沉降），或自身原因构件发生伸缩变形（如混凝土构件发生徐变），使得结构物被迫发生变形和内力。静定结构：允许产生符合其约束条件的位移，结构内不会产生应力和应变超静定结构：多余约束限制结构自由变形，从而产生应力和应变第六章其它荷载与作用第二节变形作用下沉下沉中部沉降过大引起的正八字裂缝下沉下沉厂房大面积堆载基础下沉一、地基变形的影响砌体结构房屋，地基不均匀沉降在砌体中引起附加拉力或剪力，当附加内力超过砌体本身强度便产生裂缝。单层厂房，因地面大面积堆载造成基础下沉，使柱身在附加弯矩作用下开裂。第六章其它荷载与作用第二节变形作用下沉下沉下沉下沉下沉下沉刚架桥右侧支柱下沉引起裂缝连续梁桥两端桥台沉陷引起裂缝刚架桥，当右端支柱基础下沉，刚架梁柱相应产生附加弯矩。横梁节点处产生裂缝。连续梁桥，墩台沉降不均匀引起梁内附加力，如两端桥台下沉较大，则中间桥墩上梁身所受负弯矩增大，顶部会产生自上而下的裂缝。第六章其它荷载与作用第二节变形作用二、混凝土收缩和徐变混凝土收缩：混凝土在硬化时，由于水泥胶体的凝缩和干燥失水以及碳化作用引起的体积减小的现象。如果受到外部支承条件或内部钢筋的约束，会在混凝土中产生拉应力，加速裂缝的产生和发展，影响构件的耐久性和疲劳强度等性能。工程设计中如何考虑？第六章其它荷载与作用第二节变形作用应考虑混凝土收缩变形计算结构附加内力，但常常通过构造措施降低和避免收缩影响，而不去计算收缩应力。（1）限制结构物伸缩缝距离，控制结构不要过长；（2）设置后浇带减少混凝土早期收缩影响；（3）收缩应力较大部位加强配筋；（4）采用补偿收缩混凝土，抵销收缩变形和约束应力等。例如：第六章其它荷载与作用第二节变形作用设置后浇带第六章其它荷载与作用第二节变形作用混凝土徐变：荷载的长期作用下，混凝土的变形随时间而增长的现象。（1）对钢筋混凝土受压构件，徐变将荷载卸载给钢筋，使构件中钢筋的应力或应变增加，混凝土应力减小，有利于防止和减小结构物裂缝的形成。（2）徐变对结构也有不利影响，如受弯构件受压区混凝土的徐变可使挠度增加，预应力混凝土结构的徐变将引起预应力的损失。有利和不利影响：第六章其它荷载与作用第二节变形作用徐变系数：徐变值在工作应力范围内随应力比值的增加而增加，常用徐变系数反映这种变形增大现象，徐变系数为极限徐变应变与初始弹性应变的比值，与受荷时混凝土龄期、混凝土构件厚度、暴露于大气的表面积有关，可按表6.2取用。第六章其它荷载与作用第三节冻胀力一、土的冻胀原理及作用冻土含有水分的土体温度降低到其冻结温度时，土中孔隙水冻结成冰，并将松散的土颗粒胶结在一起。根据存在时间长短分为多年冻土季节冻土瞬时冻土季节冻土地基在冻结和融化过程中，往往产生冻胀和融陷，过大的冻融变形，将造成结构物的损伤和破坏。第六章其它荷载与作用第三节冻胀力冻胀力土体冻结体积增大，土体膨胀变形受到约束时产生，约束越强，冻胀力也就越大。当冻胀力达到一定界限时不再增加，这时的冻胀力就是最大冻胀力。建造在冻胀土上的结构物，相当于对地基的冻胀变形施加约束，使得地基土不能自由膨胀产生冻胀力，地基的冻胀力作用在结构物基础上，引起结构发生变形产生内力。第六章其它荷载与作用第三节冻胀力二、冻胀性类别及冻胀力分类平均冻胀率地面最大冻胀量与土的冻结深度之比。根据冻胀率的不同，地基土可分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀五类。《建筑地基基础设计规范》给出了地基土的冻胀性分类，见表6.3。冻胀力分为：切向冻胀力、法向冻胀力和水平冻胀力。第六章其它荷载与作用第三节冻胀力PGTTTTN冻土深度冻胀力ho（1）切向冻胀力平行于结构物基础侧面产生上拔力，下图所示基础侧面作用的侧向力T。（2）法向冻胀力垂直于结构物基础底面，下图所示基础底面作用的法向力N。第六章其它荷载与作用第三节冻胀力PGTTTTN冻土深度冻胀力ho（3）水平冻胀力垂直作用于基础或结构物侧面，当水平冻胀力对称作用于基础两侧，侧向力相互平衡，对结构无不利影响；当水平冻胀力作用于下图所示挡土结构侧壁时，会产生水平方向推力，类似于土压力的作用。第六章其它荷载与作用第三节冻胀力二、冻胀力计算（1）切向冻胀力按基础侧面单位面积上的平均切向冻胀力给出，《建筑桩基技术规范》给出了单位切向冻胀力取值。冻胀性分类土类弱冻胀冻胀强冻胀特强冻胀粘性土，粉土30~6060~8080~120120~150砂土，砾(碎)石(粘、粉粒含量15%)1020~3040~8090~200单位切向冻胀力（kPa）第六章其它荷载与作用第三节冻胀力ATEno总的切向冻胀力为：式中T——总的切向冻胀力（kN）；t——单位切向冻胀力（kPa）；A——与冻土接触的基础侧面积（m2）。（2）法向冻胀力式中no——法向冻胀力（kPa）；——冻胀率，可按表6.3取值；E——冻土压缩模量（kPa）。第六章其它荷载与作用第三节冻胀力土的类别亚粘土亚砂土砾石土粗砂平均值30412913458最大值43037128178几种典型土的水平冻胀力（kPa）（3）水平冻胀力对称性水平冻胀力由于作用于构件是相互平衡的，不产生不利影响；水平冻胀力与土的类别有关，几种典型土的水平冻胀力见表。非对称水平冻胀力作用于基础一侧或挡土墙上，相当于单向水平推力。第六章其它荷载与作用第四节爆炸作用一、爆炸的概念就是物质系统迅速释放能量的物理或化学过程，它在极短的时间内迸发大量能量，并以波的形式对周围介质施加高压。爆炸按照爆炸发生机理和作用性质分：物理爆炸、化学爆炸、燃气爆炸和核爆炸等多种类型。第六章其它荷载与作用第四节爆炸作用二、爆炸力学性质1.压力时间曲线核爆升压时间很快；化爆升压时间相对较慢，峰值压力亦较核爆为低；燃爆升压最慢，峰值压力也更低。2.冲击波和压力波爆炸会在瞬间压缩周围空气而产生超压，爆炸压力超过正常大气压，核爆、化爆和燃爆都产生不同幅度的超压，其作用效应相当于静压。从压力时间曲线看：超压第六章其它荷载与作用第四节爆炸作用在极短的时间内压力达到峰值，气体急速地被挤压和推进而产生冲击波。冲击波所到之处，除产生超压外，还带动波阵面后空气质点高速运动引起动压，动压与物体形状和受力面方位有关，类似于风压。以超压为主，动压很小，可以忽略，其爆炸波属压力波。核爆、化爆燃气爆炸第六章其它荷载与作用第四节爆炸作用三、爆炸对结构的影响及计算1.爆炸对结构的影响爆炸对结构产生的破坏程度与爆炸的性质和爆炸物质的数量有关。爆炸发生的环境或位置不同，其破坏作用也不同，在封闭的房间、密闭的管道内发生的爆炸其破坏作用比在结构外部发生的爆炸要严重的多。燃气爆炸是建筑结构易于遭遇到的爆炸，民用燃气爆炸升压时间与结构基本周期相比，作用时间足够缓慢，可以忽略惯性力，把燃气爆炸对结构的作用当作静力作用，不必考虑其动力效应。第六章其它荷载与作用第四节爆炸作用2.泄瀑保护燃气爆炸大都发生在生产车间、居民厨房等室内环境，一旦爆炸发生，常常是窗玻璃被压碎，屋盖被气浪掀起，导致室内压力下降，起到泄压保护作用。第六章其它荷载与作用第四节爆炸作用3.压力峰值计算（1）Rasbash建议使用正常燃烧速度下的爆炸压力最大值计算公式：kpp5.310v式中p——最大爆炸压力（kPa）；pv——泄压时的压力（kPa）；k——泄压面积比，房间内最小正截面积